黄铁矿自燃机理及其预防.pdf

文章编号1009 - 3842200403 - 0053 - 02 黄铁矿自燃机理及其预防 Ξ 张 虹1 张春生2 1 、 江西铜业集团公司教育培训中心;2、 江西铜业集团公司 摘 要 在地下开采中,黄铁矿常温下在空气中极易发生自燃,产生大量的热和SO2,不仅给作业人员带来职 业危害,而且可能造成严重的事故。本文通过分析黄铁矿自燃的化学反应过程,硫铁矿含硫量与自燃性关系,以及 崩矿量及其允许堆放时间,得出了对黄铁矿自燃的一些规律性认识。在此基础上,提出了加强分析化验、 现场管理 以及粉尘检测等工作的预防对策。 关键词 黄铁矿 自燃 预防 中图分类号P578. 2 92 文献标识码A 1 引言 自燃是物质不用明火点燃就能够自发着火燃烧 的现象,包括受热自燃和自燃两种。可燃物质在外部 热源作用下,温度升高,当达到自燃点时着火燃烧称 为受热自燃。一些物质在没有外来热源的影响下,由 于物质内部发生化学、 物理或生化过程而产生热量, 这些热量积聚而引起物质温度持续上升,达到自燃点 而燃烧,称为自热燃烧。自燃是地下矿山所面临的一 个比较普遍的现象,特别是含黄铁矿的矿床。早在 17世纪英国的Dr. Plott就提出黄铁矿导因学说,解释 了煤的自燃机理[1],随后,大量学者研究了煤矿中黄 铁矿的自燃现象[25]。对于非煤矿山,黄铁矿的自燃 现象也有一些研究,如铜山铜矿黄铁矿自燃与采矿方 法的改进[6],对冬瓜山铜矿黄铁矿自燃现象的研 究[7]。本文通过对黄铁矿自燃的化学过程分析,提出 了预防黄铁矿自燃发生的有效措施。 2 黄铁矿及其自燃 2. 1 黄铁矿存在形式 黄铁矿在工业上又称硫铁矿,化学成分为 FeS2,是地壳中分布最广的硫化物。黄铁矿一般为 浅黄铜色,强金属光泽,不透明,硬度66. 5。黄铁矿 为主要硫提取矿石,是制硫酸的主要矿物原料,有时 可以从黄铁矿中提取伴生元素钴及金等。黄铁矿大 量存在于一些与海底火山作用有一定联系的矿床 中,西方多称该类矿床为块状硫化物矿床。目前世 界上至少发现了420个这种类型的矿床,主要分布 于加拿大、 美国、 俄罗斯、 西班牙、 葡萄牙、 塞浦路斯、 南非和日本等国。在很多高品位铜矿床中,铜就伴 生于硫铁矿中。我国大部分煤矿中的硫,主要也是 以黄铁矿的形式存在。 2. 2 黄铁矿自燃的化学反应 黄铁矿的主要成份是FeS2,这种物质暴露在空 气中会发生如下化学反应 FeS2 O2FeS SO2 222 ,3kJ/ mol1 2FeS2 7O2 2H2O2FeSO4 2H2SO4 2528. 9kJ/ mol2 FeS2 3O2FeSO4 SO2 1195. 2kJ/ mol 3 12FeSO4 6H2O 3O24Fe2 SO 43 4Fe OH3 Q4 Fe2 SO 43 FeS2 2H2O 3O2 3FeSO4 2H2SO4 Q5 2SO2 O2 H2OH2SO46 4FeS2 15O2 14H2O4FeOH3 8H2SO4 7 当过量空气系数 1 时有下面两个反应发生 4FeS2 11O22Fe2O3 8SO2 3312. 4 kJ/ mol8 35 Ξ 收稿日期2004 - 05 - 21 2004 №3铜 业 工 程 4FeS 7O22Fe2O3 SO29 当空气供应不足时,有下面的反应发生 4FeS2 3O22Fe2O3 8S10 2FeS 3O22FeO 2SO211 当作业环境中有碳存在时 C O2CO2 393. 5kJ/ mol12 2C O22CO 110. 54kJ/ mol13 3FeS2 12C O2Fe3O4 12CO 6S14 在上述系列反应中,Fe2 被氧化成Fe3 ,同时 释放出大量的有毒气体SO2和热量,这些热量的积 聚就可以引起硫铁矿的自燃。因此,黄铁矿的自燃 是一种自热燃烧。 2. 3 硫铁矿自燃的危害 在非煤矿山中,如果发生硫铁矿自燃,作业环境 中的温度就会迅速升高,空气中SO2的浓度也随之 升高。SO2是一种无色的中等刺激性气体,主要刺 激呼吸道,吸入SO2可使呼吸系统功能受到损害, 出现喘气、 气促、 咳嗽等,在悬浮粒子协同作用下,还 会导致有些疾病的死亡率上升。更为严重的是,当 作业面温度升高到一定程度,容易引起可燃气体、 粉 尘等混合性气体爆炸。爆炸发生时,首先反应产生 大量的热,容易对人体产生高温灼伤;其次,反应产 生的爆炸将造成重大的人员伤亡。如在安徽某铜矿 曾经由于硫铁矿自燃引起爆炸,就造成了多人伤亡。 3 黄铁矿自燃预防措施 3. 1 随时分析矿物中硫的含量 根据含硫铁矿矿床的自燃机理,可以采取有效 的措施进行预防。化学反应过程表明,硫铁矿发生 自燃的可能性与矿物中含硫量有着密不可分的关 系,见表1所示。 表1 硫铁矿含硫量与自燃性关系 含硫量 26 自燃性可能性小可能性一般可能性大 通过硫化物自燃可能发生的系列化学反应可以 看出,由于自燃的发生会导致Fe2 氧化成Fe3 ,在 反应发生后,S以SO2形式挥发,必定造成矿物中硫 的损失。因此在进行含硫铁矿的矿床开采时,应随 时分析化验矿物中硫的含量、 监控铁的物相、 对相同 作业面不同时期沉积尘或矿物进行硫的含量分析, 掌握自燃是否发生及发生的程度。例如当作业面 矿物含硫量小于15 时,自燃发生的可能性不大, 但是如果矿石性质发生了改变,硫含量在15 20 之间或更高时,自燃的可能性就增大了。这时应该 对黄铁矿进行物相分析,如果硫含量呈上升趋势,并 且同一作业面的硫含量变化不定,则预示自燃很容 易发生,宜尽快组织人员撤离现场。 3. 2 控制崩矿量及允许堆放时间 根据研究表明[7],黄铁矿自燃问题和一次崩矿 量及其允许堆放时间有很大关系,见表2所示。从 表2中可以看出,只要通过科学管理,控制好崩矿量 及其允许堆放时间,就能够有效预防自燃。 表2 黄铁矿一次崩矿量及其允许堆放时间 矿石类型含铜磁黄铁矿 含铜黄铁矿 胶黄铁矿 一次崩矿量t250025002500 安全堆放时间d788086 一次崩矿量t500050005000 安全堆放时间d757674 一次崩矿量t100001000010000 安全堆放时间d706969 一次崩矿量t200002000020000 安全堆放时间d626263 一次崩矿量t300003000030000 安全堆放时间d585759 3. 3 加强粉尘监测 粉尘颗粒越细越容易与一些可燃气体形成爆炸性 混合气体,因此需要对作业面加湿,使悬浮在空气中的 粉尘细小颗粒聚成能够沉降的大颗粒,降低作业环境 中的粉尘浓度;同时,还可以采取降温、 通风等措施,来 减少空气中有毒气体及粉尘的积聚;另外,还需要在作 业面增加防火设施。从以上的分析不难看出,对于地 下开采黄铁矿床,应该加强粉尘监测工作。 4 结语 自燃现象一直是黄铁矿矿床地下开采难以解决 的问题,本文通过对非煤矿山含黄铁矿矿床的组成、 黄铁矿自燃化学反应过程分析,揭示了硫铁矿含硫 量与自燃性的关系,以及黄铁矿一次崩矿量及其允 许堆放时间。在这些工作的基础上,提出了对作业 面的温度、 湿度进行控制,对粉尘含量进行监控等一 系列措施,以利于及时发现事故隐患,确保井下开采 安全。从现实的角度看,自17世纪以来黄铁矿自燃 机理一直都是研究的热点,并且没有得到最终的解 决,因此文中提出的管理措施对维护矿山的安全开 采有较好的参考价值。下转第68页 45 铜 业 工 程 2004 №3 的现状及经济条件。例如,检定0. 2级表可选用 0. 05级的标准,检定1. 5级和2. 5级的仪表可选用 0. 2级的标准。 3. 2 测量结果的处理 3. 2. 1 舍入误差及其允许值。对于测量结果数值 修约到哪一位,也是根据微小的误差取舍准则确定 的。通常数值修约的位数要比被测量允许误差多一 个数量级,即修约误差舍入误差与被测允许误差 之比为1/ 10～1/ 20。修约间隔为1/ 5～1/ 10的允 许误差。此时,舍入误差≤1/ 2修约间隔。如修 约间隔为0. 1 ,则 舍入误差≤0. 05。修约间隔为 0. 05 ,则 舍入误差≤0. 025。 3. 2. 2 测量结果的有效数字。测量结果的有效数 字位数取决于测量扩展不确定度,其修约间隔一般 与扩展不确定度的修约间隔相一致。例,在20℃ 时,对一电阻测量的原始数据为R20 100. 01335Ω, 测量扩展不确定度为U 12mΩ, K 2。则测量结 果应表示为R20 100. 013Ω,U 12 mΩ, K 2。 3. 2. 3 计量器具检定结果的有效数字。检定结果 的有效数字位数一般应综合考虑被检计量器具的最 大允许误差、 分辨率和测量扩展不确定度,如在 JJ G5961999电子式电能表检定规程 的5. 1款 中,对各等级电能表的测量相对误差化整间距作了 明确规定,该化整间距的被检表允许误差限值的 1/ 10。 4 结语 关于微小误差取舍准则应注意代数和合成与方 和根合成两种方法的适用情况,在测量误差的分析 与合成及不确定度的分析与合成中,应充分利用微 小误差取舍准则,以简化计算。同时在测量设备的 选择和数据处理中,应遵循微小误差取舍准则。 PRACTICE OF GUIDE LINE FOR ACCEPTINGOR REJECTION OF MINOR ERRORS Jiangxi Copper Corporation Dexing Copper Mine Liu Jianhui Abstract This article dissertates the comprehending to minor errors and the guide line on how to accept and reject them on this basis. Key words Errors Uncertainty Expansion 上接第54页 参考文献 [1]王省身,张国枢.矿井火灾防治[M].徐州中国矿业大学出 版社,1990. [2]邓军,徐精彩,陈晓坤.煤自燃机理及预测理论研究进展 [J ].辽宁工程技术大学学报,2003 ,224 455 - 459. [3]闵凡飞,王传金.煤矸石山自燃火源形成原因及其预测预防 [J ].煤矿安全,2003 ,1 41 - 43. [4] Takanohashi T ,Iino M. Investigation of bituminous structure of Upper Freeport Coal Solvent swelling[J ]. Energy Fuels ,1995 , 9 788 - 793. [5]宋志,曹坤,孙宝铮.采场自然发火的预测和识别[J ].黑龙 江矿业学院学报. 1999 ,93 22 - 25. [6]刘明生.铜山铜矿前山矿区采矿方法的改进[J ].金属矿山, 1999 ,1 14 - 16. [7]黄跃军.高温高硫矿床矿石自燃性及防治技术研究[J ].有色 矿冶,2000 ,161 13 - 15. PRINCIPLE OF PYRITE SPONTANEOUS COMBUSTION AND ITS PREVENTION Jiangxi Copper Corporation Education Training Center Zhang Hong Jiangxi Copper Corporation Zhang Chunsheng Abstract In underground mining , a large quantity of heat and SO2 gas resulted from spontaneous combustion of pyrite , brings professional harm and even severe accident. In thispaper , some rules of spontaneous combustion of pyrite are summarized by analyz2 ing chemical reaction of pyrite spontaneous combustion , the relation between S content inpyrite and spontaneous combustion , mineral collapsing amount and its stacking time. On the basis of the analysis , some prevention measures , including enhancing chemical analy2 sis , spot management and dust monitoring , are put forward. Key words Pyrite Spontaneous combustion Prevention 86 铜 业 工 程 2004 №3